طالما طارد حلم البحث عن بيئة صالحة للحياة خارج الكوكب آفاق العلماء، وكم توالت اكتشافات الكواكب الغريبة خارج مجموعتنا الشمسية؛ عوالم غريبة ربما تحتضن أيًا من أشكال الحياة. ولكن ما هي قصتها وكيف يتم رصدها والتعرف على خصائصها ومدى قابليتها للحياة؟ دعونا نلقي نظرة معرفية أقرب حول تلك الكواكب الخارجية.
الكواكب الخارجية Exoplanet هي الكواكب الموجودة خارج نظامنا الشمسي، والتي تم اكتشاف الآلاف منها خلال العقدين الماضيين، ويرجع الفضل في اكتشاف معظمهم إلى مسبار كبلر الفضائي التابع لوكالة ناسا الفضائية.
تختلف خصائص هذه الكواكب من حيث الحجم، ومحور الدوران؛ ما بين كواكب ضخمة تدور في محور قريب من النجم الخاص بها، وإلى كواكب جليدية وأخرى صخرية. ولكن تسعى الوكالات الفضائية جميعها للعثور على أنواع خاصة من الكواكب، تقترب خصائصها من خصائص كوكب الأرض من حيث الحجم، والدوران حول نجم يشبه الشمس، وأيضًا تقع في المنطقة الصالحة للحياة The habitable zone.
تعرف هذه المنطقة بأنها متوسط المسافة بين الكوكب والنجم, التي توفر درجة حرارة ملائمة للكوكب تسمح بوجود الماء في صورته السائلة، والذي يعد العامل الهام لوجود الحياة. قديمًا كان يتم تعريفها بناءً على توازن حراري بسيط، أما الآن يتم تحديد تلك المنطقة بإجراء العديد من الحسابات التي تعتمد على عوامل أخرى مثل تأثير الغلاف الجوي للكوكب على ظاهرة الاحتباس الحراري، حيث أنها تجعل حدود المنطقة القابلة للحياة مضطربة.
في أغسطس عام 2016، أعلن الفلكيون أنهم قد تمكنوا من اكتشاف كوكب يقع في تلك المنطقة، يدور حول النجم (بروكسيما سنتوري-Proxima Centauri) أطلقوا عليه (بروكسيما بي-Proxima b) يساوي حجمه حجم كوكب الأرض 1.3 مرة، ويقترح أنه من فئة الكواكب الصخرية، يبعد عن نجمه بمسافة 7.5 مليون كيلومتر، مما يضعه ضمن حيز المنطقة المأهولة للحياة، كما يكمل دورته حول نجمه كل 11.2 يوم أرضي، مما يعني أن أحد أوجهه يكون مقابلاً للنجم بشكل دائم، كما هو الحال في القمر، حيث يظهر وجها واحدا للأرض بشكل ثابت.
تم اكتشاف معظم الكواكب الخارجية بواسطة تلسكوب كيبلر الفضائي، والذي بدأ عمله عام 2009 والذي يتوقع أن تنتهي مهمته عام 2018 بمجرد أن ينفذ وقوده الخاص. حتى منتصف مارس الماضي، كان مرصد كيبلر قد قام باكتشاف 2342 كوكبًا خارجيًا تم التأكد منهم، كما كشف احتمالية وجود 2245 كوكب آخر. هذا من أصل 3706 كوكب هو مجموع ما تم اكتشافه من الكواكب الخارجية بواسطة جميع المراصد الفضائية.
أولى الأكتشافات:
على الرغم من عدم التأكد من وجود أي كوكب خارجي حتى أوائل التسعينيات، إلا أنه ولسنوات عديدة كان علماء الفضاء متيقنين من وجودها؛ ولم يكن هذا مجرد تخمين افتراضي، بل تم بناءه نتيجة ملاحظتهم بطء سرعة دوران الشمس حول نفسها، والنجوم المماثلة لها أيضا. كانت البداية مع فريق عمل للمهمة الفضائية (MOST)، التي أُطلقت لدراسة التذبذبات والاختلافات الدقيقة بين النجوم، والتي ساهمت لاحقًا في الاكتشافات الأولية للكواكب الخارجية. هذا ما أوضحه الدكتور (جيمي ماثيوس- Jaymie Matthews)، أستاذ الفيزياء الفضائية بجامعة كولومبيا البريطانية.
لدى الفلكيين قصة تخبرنا عن بداية نشأة نظامنا الشمسي، حيث بدأ كسحابة ضخمة من الغازات والغبار تدور حول نفسها، أطلق عليها السديم الشمسي الأولي The Protosolar Nebula. ثم حدث لها انهيار تحت تأثير جاذبيتها الخاصة، مكونة الشمس والكواكب المحيطة بها. وfحدوث هذا الإنهيار ومن أجل اتزان العزم الزاوي للشمس (conservation of angular momentum) –سرعة دورانها حول نفسها- كان من المفترض من الجزء الغازي –المكون للشمس فيما بعد- أن تزداد سرعته أكثر فأكثر. لكننا وجدنا حاليا أنه على الرغم من كتله الشمس الهائلة التي تساوي وحدها 99.8% من كتلة النظام الشمسي بالكامل، إلا أن عزمها الزاوي بطيئٌ جدًا مقارنة بالعزم الزاوي لباقي كواكب المجموعة الذي يصل عزمهم الزاوي إلى 96%. الأمر الذي جعل العلماء يتساءلون عن السبب وراء دوران الشمس بهذا البطء شديد.
التفسير المحتمل لهذا الأمر هو أنه ربما كان للشمس في بداية نشأتها مجالًا مغناطيسيًا قوياً للغاية، بحيث يصل مدى قوته إلى جميع أنحاء السديم الشمسي، بما في ذلك البقع التي تتشكل بها الكواكب نفسها، مما أدي إلى حدوث تفاعل بين المجال المغناطيسي وجزيئات الغاز المشحونة -المكونة للكواكب لاحقًا-. ليبدو الأمر كما لو أن هذا المجال المغناطيسي أشبه ما يكون بمرساة سفينة، وتكون النتيجة هي تباطؤ سرعة دوران الشمس، وزيادة سرعات دوران الغازات التي شكّلت في النهاية في صورة كواكب المجموعة الشمسية.
اكتُشف لاحقًا أن معظم النجوم الشبيهة بالشمس تدور ببطئ أيضًا، مما دعا العلماء لاستنتاج نفس السبب، الأمر الذي يعني أيضًا أنه لابد من وجود كواكب تحيط بهذه النجوم. أي بشكل عام، يمكن القول أنه يجب أن تتواجد كواكب حول أي نجم يشبه الشمس في سرعة دورانه.
لهذا السبب، ولأسباب أخرى، وجّه الفلكيون أبحاثهم لإيجاد الكواكب الخارجية في البداية حول أي نجم يكون أقرب الشبه بالشمس. وفي عام 1992، اكتشف أول كوكبين خارجيين كانا يتبعان نجم نيوتروني –وهو أحد صور النجوم التي انهارت بعد انفجارها كسوبرنوفا، ولها سرعة دورانه هائلة- يسمى (PSR 1257+12). ثم أكتشف أول كوكب خارجي يتبع نجم يشبه الشمس في عام 1995، وهو (51 Pegasi b — a)، وهو كوكب في نفسه كتلة كوكب المشتري، والغريب أنه أكثر قربًا من النجم التابع له بـ 20 مرة، عن قربنا للشمس. ولكن قبل ذلك بسبع سنوات، انفجرت لنا مفاجئة أكبر، والتي عٌرّفت بعد ذلك بالثروة الفعلية في اكتشاف الكواكب الخارجية. ففي عام 1988، اكتشف فريق كندي كوكب بحجم كوكب المشتري يدور حول كوكبة الراعي (Gamma Cepheid)، ولكن بسبب صغر مدار الكوكب مقارنة بمدار كوكب المشتري، لم يتمكن العلماء من التأكد من تحديد هذا الكوكب بدقة. يقول الدكتور ماثيو:
«لم نكن نتوقع حينها وجود كواكب كهذه، فقد كانت مختلفة بشكل كبير عن كواكب مجموعتنا، مما زاد من صعوبة توقعها.»
معظم الاكتشافات الأولى للكواكب الخارجية كانت كواكب غازية عملاقة في حجم كوكب المشتري أو أكبر، تدور بالقرب من النجم التابعة له؛ يرجع هذا لاعتماد الفلكيون في ذلك الوقت على استخدام تقنيات السرعة الاشعاعية (the radial velocity technique) في قياس تذبذبات النجم أثناء دوران كوكب حوله؛ لذلك وجد أن دوران هذه الكواكب الضخمة بالقرب من نجم ما، يؤدي لتذبذب شديد في النجم التابع له، مما يكون من السهل ملاحظتها بهذه التقنية.
قبل عصر استكشاف الكواكب الخارجية، كانت الأدوات المستخدمة لقياس السرعات يمكنها فقط قياس سرعة الأجرام السماوية بمقياس كيلو متر لكل ثانية، وهذا مقياس غير كافي لتقدير تذبذب النجم بتأثير دوران الكوكب حوله. أما الآن فبعض الأدوات يمكنها تقدير سرعتها بمقياس سنتيمتر لكل ثانية. يوضح الدكتور ماثيو أن تطور الأدوات كان هاماً، بجانب اكتساب العلماء المزيد من الخبرة في استخراج أدق الإشارات من البيانات المتاحة.
مرصد كيبلر، والمرصد الجديد (TESS):
في عام 2009 تم إطلاق المسبار كيبلر في مهمة رئيسية هي رصد منطقة ما في كوكبة الدجاجة (Cygnus constellation). والتي قام بإنجازها خلال أربعة أعوام مضاعفًا بذلك الفترة الأساسية المحددة للمهمة، حتى تعطلت معظم الدوائر الكهربية بمحركات أجهزة الرصد. ثم قامت وكالة الفضاء الأمريكية ناسا بتحديد مهمة جديدة للمسبار كيبلر تدعى K2؛ والتي فيها سيحتم على المسبار كيبلر أن يستعين بضغط الرياح الشمسية لكي يتمكن من الحفاظ على مهمته في الفضاء. ونتيجة لذلك كان لابد له من تغيير مجال رؤيته بين الحين الآخر كي يتجنب التوهجات الشمسية الشديدة، الأمر الذي أبطأ من عملية اكتشاف الكواكب الخارجية. ولكن مع كل هذا فقد تمكن من اكتشاف المئات من الكواكب الخارجية باتباعه هذا الأسلوب. حيث أظهرت آخر البيانات المرسلة إلينا في شهر فبراير الماضي، اكتشاف 95 كوكبا جديدًا.
كشف مرصد كيبلر أنواع مختلفة من الكواكب الخارجية، فبجانب الكواكب الغازية الضخمة والكواكب الصخرية، فقد كشف عن نوع جديد أطلق عليه (الأرض العملاقة-Super earth) وهي كواكب يتراوح حجمها ما بين حجم كوكب الأرض وكوكب نبتون. بعضها يقع في المنطقة القابلة للحياة بالنسبة للنجم التابع له. لكن علماء بيولوجيا الفضاء سيقومون بالنظر مرة اخرى إلى الشروط اللازمة لتطور الحياة على كواكب كهذه. حيث تظهر ملاحظات كيبلر أن هذه النوعية من الكواكب ليس لها وجود في مجموعتنا الشمسية؛ رغم اعتقاد البعض بوجود كوكب ضخم أطلقوا عليه (الكوكب التاسع) يسبح في الحدود البعيدة لمجموعتنا الشمسية.
تعد الطريقة الأساسية التي يعتمدها المسبار كيبلر في البحث عن الكواكب هي الطريقة الانتقالية (Transit method) حيث يتم تتبع الضوء المنبعث من النجم، وفي حالة خفوت الضوء على فترات منتظمة ومتوقعة، يكون ذلك دليلاً على مرور جسم ما أقرب لكونه كوكب، أمام النجم.
في عام 2014 كشف الفريق البحثي للمسبار كيبلر -بما فيهم تلميذ دكتور ماثيو السابق جيسون رو- عن أسلوب جديد يزيد من سرعة التأكد من حقيقة الجسم المرصود إذا كان كوكبًا أم لا، يسمى التحقق بالتكرارات (verification by multiplicity). والتي ساعدت على استكشاف الكثير من الكواكب في فقرة قصيرة جدًا.
مع اقتراب نهاية مهمة المسبار كيبلر هذا العام، يتوقع انطلاق مسبار جديد يسمى القمر الصناعي الاستقصائي العابر (Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS في ربيع العام الحالي، حيث سيقوم بالتحليق حول الأرض كل 13.7 يوم، وعمل مسح كامل للسماء كل عامين. وسيقوم في أول عام بمسح نصف الكرة الجنوبي، ثم نصف الكرة الشمالي. ويتوقع الكشف عن المزيد من الكواكب الخارجية، ضمنهم أكثر من 50 كوكب مماثلين لحجم كوكب الأرض.
نبذة عامة عن أبرز المراصد المستخدمة في استكشاف الكواكب (قديمًا وحديثًا)
- الباحث الكوكبي بالسرعة الاشعاعية عالية الدقة (HARPS)، الذي يديره المرصد الأوروبي الجنوبي في مرصد لاسيلا La silla بدولة تشيلي. يبلغ ارتفاعه 3.6 متر، وبدأ عمله في 2003. وقد صمم للبحث عن تذبذبات أشعة النجوم التي تحدث بسبب دوران الكواكب حولها. وقد عثر على أكثر من مائة كوكب خارجي، وعادة ما يستخدم للتأكد من النتائج المتحصل عليها من مرصد كيبلر وغيره.
- المرصد الكندي لرصد التغيرات الدقيقة وتذبذبات النجوم (MOST) والذي بدأ العمل في 2003. وقد تم تصميمه لرصد الاهتزازات النجمية، أو الزلازل التي تحدث للنجوم. لكن بجانب هذا، كان له مهمة جزئية في استكشاف الكواكب الخارجية، مثل استكشافه للكوكب (cancti e 55).
- مرصد وكالة الفضاء الفرنسية (COROT) لرصد انتقال ودوران وعبور الكواكب، والذي عمل في الفترة ما بين 2006 و 2012. حيث عثر على العشرات من الكواكب الخارجية الحقيقية، من ضمنهم الكوكب Corot-7b الذي يعد أول كوكب خارجي يحتوي في تركيبه على نسبة ملحوظة من الصخور والمعادن.
- مرصد هابل (Hubble) التابع لوكالتي الفضاء الأوربية وناسا، وتيلسكوب سبيتزر (Spitzer) الخاص بوكالة ناسا، واللذان يقومان بفحص الكواكب بوساطة الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء بشكل دوري، حيث عادة ما تساعد الأشعة تحت الحمراء في الحصول على معلومات أدق عن الغلاف الجوي للكواكب.
- القمر الصناعي الأوربي لتمييز الكواكب CHEOPS المرتقب انطلاقه هذا العام، وقد صمم لقياس أقطار الكواكب بدقة، وخصوصًا الكواكب التي تتراوح كتلتها ما بين حجم نيبتون و الأرض العملاقة.
- تيلسكوب جيمس ويب (James Webb) الفضائي التابع لوكالة ناسا الأمريكية، المتوقع انطلاقه عام 2020. وهو مخصص للرصد بواسطة الأشعة تحت الحمراء، حيث يُتنظر من هذا المرصد شديد القوة، كشف المزيد عن قابلية الغلاف الجوي للحياة لبعض الكواكب الخارجية.
- تلسكوب قياس تذبذبات النجوم (PLATO) التابع لوكالة الفضاء الأوروبية والمتوقع انطلاقه عام 2024. والذي يتم تصميمه للتعرف على كيفية تشكل الكواكب وما هي الظروف المناسبة للحياة بها.
- وأخيرًا، المهمة (أريل-ARIEL) التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية المتوقع انطلاقها عام 2028، والتي ستعتمد على تقنية الاستشعار عن بعد بواسطة الأشعة تحت الحمراء، للكشف عن الغلاف الجوي للكواكب الخارجية، حيث ستقوم برصد حوالي ألف كوكب، ودراسة التركيب الكيميائي لأغلفتهم الجوية
أشهر الكواكب الخارجية:
مع اكتشاف الآلاف من الكواكب الخارجية، يصعب اختيار عدد قليل منها، لكن تعد الكواكب الصخرية صغيرة الحجم، والتي تقع في المنطقة القابلة للحياة هي الأكثر تميزًا. لكن اختار الدكتور ماثيو أهم خمس كواكب ساعدت في تطوير مفهومنا لكيفية نشأة الكواكب الخارجية وتطورها، وهم:
- (51 بيجاسي بي-51 Pegasi b): وهو كما ذكرنا سابقًا يعد أول كوكب تم اكتشافه، يتبع نظامًا نجميًّا يشبه نظامنا الشمسي. تساوي كتلته كتلة كوكب المشتري. وتعد المسافة بينه وبين نجمه نفس المسافة بين الشمس وكوكب عطارد.
- (اتش دي 209458 بي- HD 209458 b): يعد أول كوكب خارجي تم اكتشافه عام 1999. اكتُشف بتقنية دوبلر ووبل (Doppler wobble technique) أثناء عبوره أمام النجم التابع له. ورغم تتابع اكتشاف الكواكب الخارجية في الأعوام التالية، إلا أنه أول كوكب خارجي تم معرفة بعض خواص غلافه الجوي، كدرجة الحرارة وانعدام وجود أي سحب بغلافه الجوي.
- (55 كانكري إي- 55 Cancri e): يتبع هذا الكوكب نجم شديد اللمعان، إذ يمكنك رؤيته بالعين المجردة، مما يعني إتاحة الفرصة لعلماء الفضاء لدراسة خواص نظامه النجمي بالكامل بتفاصيل أدق. يكمل هذا الكوكب دورة كاملة حول نجمه كل 17 ساعة و41 دقيقة، وقد تم معرفة ذلك بعد أن تم دراسته بواسطة التلسكوب (MOst) عام 2011. يعتقد أيضًا أن الكوكب غني بعنصر الكربون، ويتكون باطنه من الألماس.
- (أتش دي 80606 بي- HD 80606 b): أثناء أكتشافه عام 2001، تم تصنيفه كأغرب كوكب خارجي تم اكتشافه على الاطلاق. بسبب مداره الغريب حول نجمه، الذي يشبه مدار مذنب ( هالى) حول الشمس، وقد يكون هذا بسبب تأثير جاذبية نجم آخر عليه. مما يؤدي إلى وجود ظروف بيئية شديدة الغرابة والتنوع على سطحه.
- (واسب 33 بي-WASP 33b): تم اكتشافه عام 2011. والملفت للإنتباه وجود طبقة عازلة للشمس في غلافه الجوي (ستراتوسفير)، والتي تسمح بنفاذ جزء من الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء الصادران من النجم التابع له. والغريب به هو دورانه حول كوكبه في الاتجاه العكسي، بالإضافة إلى إحداثه تذبذبات ملحوظة تم رصدها بواسطة المسبار (Most)
وأخيرًا يصبح مجال الكواكب الخارجية من أكثر مجالات الفلك تشويقًا وغرابة في نفس الوقت. وتظل رغبة العلماء في استكشاف عوالم جديدة مستمرة لنتعرف على جيراننا، وربما نكتشف حياة أخرى على كوكب آخر.
ترجمة: مجدي ممدوح
مراجعة: محمد المصري
المصدر:
